JP5474240B1 - Pulse compression correlation coefficient generation circuit and pulse compression ultrasonic detector - Google Patents
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Abstract
【課題】パルス圧縮探知装置において、送信パルスのパルス幅や周波数変調の態様を変える場合でも一々それに対応する相関係数を予め計算して用意しておく必要のない相関係数発生回路の提供。
【解決手段】送信器から送受信切替器を経て受信器に入った送信パルス信号を受信出力でＡ／Ｄ変換し、これを相関係数ＲＡＭの記憶素子列へ順次記憶させてゆき、送信パルス幅分の記憶が終ったならば、最後に記憶させた記憶素子から、記憶させるときとは逆順序で読み出したものを相関係数として、受信デジタル信号が入力されているＦＩＲ（Finite Impulse Response）パルス圧縮器へ設定し、ここで畳み込み演算を行わせることにより受信信号のパルス圧縮を行う。
【選択図】図３In a pulse compression detection apparatus, a correlation coefficient generation circuit is provided that does not need to calculate and prepare a corresponding correlation coefficient in advance even when changing the pulse width and frequency modulation mode of a transmission pulse.
A transmission pulse signal that enters a receiver from a transmitter via a transmission / reception switch is A / D converted by a reception output, and this is sequentially stored in a storage element array of a correlation coefficient RAM, and a transmission pulse width is obtained. When the minutes have been stored, the FIR (Finite Impulse Response) pulse to which the received digital signal is input, using as a correlation coefficient the data read from the last stored storage element in the reverse order of storage. Setting to the compressor, and performing a convolution operation here, pulse compression of the received signal is performed.
[Selection] Figure 3
Description
本発明は、超音波探知装置において、その受信Ｓ／Ｎの向上や、目標探知における距離分解能向上のために受信したパルス時間幅を圧縮するというパルス圧縮の技術分野に属する。 The present invention belongs to a technical field of pulse compression in which an ultrasonic detection apparatus compresses a received pulse time width in order to improve reception S / N and improve distance resolution in target detection.
パルス圧縮技術においては、パルス圧縮のための相関係数の生成と、この相関係数を受信信号に乗算する相関演算を行うが、これら相関係数の生成と相関演算は、時間領域で行われるものと周波数領域で行われるものがある。
従来、時間領域で行う場合には、周波数変調した送信信号に対応させて相関係数を予め用意しておく必要があった。
In the pulse compression technique, correlation coefficient generation for pulse compression and correlation calculation for multiplying the received signal by this correlation coefficient are performed. The generation and correlation calculation of these correlation coefficients are performed in the time domain. Some are done in the frequency domain.
Conventionally, when performing in the time domain, it is necessary to prepare a correlation coefficient in advance corresponding to a frequency-modulated transmission signal.
また、周波数領域で行う場合には、受信信号をＦＦＴ（Fast Fourier Transform）を用いて周波数領域に変換して相関演算を行い、その後逆ＦＦＴで時間領域に戻すということが行われている。 When performing in the frequency domain, the received signal is converted into the frequency domain using FFT (Fast Fourier Transform) to perform correlation calculation, and then returned to the time domain by inverse FFT.
しかしながら、上記の時間領域で行うパルス圧縮においても、また周波数領域で行うパルス圧縮においても以下のような問題がある。
まず時間領域で行う場合には、前述のように周波数変調した送信信号に対応させた相関係数を予め用意しておかねばならない。
従って、送信周波数がリニアチャープとノンリニアチャープに切り替えられるようになっている場合には、それぞれの場合に対応する相関係数を別々に予め計算して用意しておかなければならない。周波数変調の周波数範囲や送信パルス幅を切り替える場合も同様である。
However, both the pulse compression performed in the time domain and the pulse compression performed in the frequency domain have the following problems.
First, when performing in the time domain, a correlation coefficient corresponding to the frequency-modulated transmission signal as described above must be prepared in advance.
Therefore, when the transmission frequency can be switched between the linear chirp and the non-linear chirp, the correlation coefficient corresponding to each case must be separately calculated and prepared in advance. The same applies when switching the frequency range and transmission pulse width of frequency modulation.
また、送信信号の周波数が高く、そのため受信信号を中間周波数に周波数変換している場合には、中間周波数に変換した受信器出力に含まれる送信パルスと送信器の送信信号とは相関関係がなくなるので相関関係を求めるには複雑な計算が必要になるという問題がある。 Further, when the frequency of the transmission signal is high, and the reception signal is converted to an intermediate frequency, the transmission pulse included in the receiver output converted to the intermediate frequency is not correlated with the transmission signal of the transmitter. Therefore, there is a problem that complicated calculation is required to obtain the correlation.
更に、探知目標や探知状況に応じて、周波数変調されている送信パルスのパルス幅をいくつか選択できるようにするためにはそれぞれに応じた相関係数を予め用意しておかなければならない。
しかしながら、このような相関係数を用意するには複雑且つ膨大な量の計算やデータの保存が必要となるという問題があった。
Furthermore, in order to be able to select several pulse widths of frequency-modulated transmission pulses in accordance with the detection target and detection situation, a correlation coefficient corresponding to each must be prepared in advance.
However, in order to prepare such a correlation coefficient, there is a problem that a complicated and enormous amount of calculation and data storage are required.
周波数領域ではＦＦＴ（Fast Fourier Transform）を用いて周波数領域に信号を変換することで、相関演算が単純な乗算ですむ利点があることは知られているが、受信信号をＦＦＴし、そして時間領域に戻す逆ＦＦＴの複雑な演算が必要になることと、ＦＦＴで離散化した信号を逆ＦＦＴで時間領域に戻す時に、受信信号がスムースに繋がらない問題が生じ、その問題対策のために、さらに複雑な操作を必要とする欠点がある。 In the frequency domain, it is known that the signal can be transformed into the frequency domain using FFT (Fast Fourier Transform), so that the correlation operation can be simply multiplied, but the received signal is FFTed and the time domain In order to solve the problem, it is necessary to perform a complicated inverse FFT operation, and when the signal discretized by FFT is returned to the time domain by inverse FFT, the received signal is not smoothly connected. There is a drawback that requires complicated operation.
本発明は、上記背景技術の問題点に鑑みて、背景技術におけるような複雑な演算や、相関係数の別途用意の必要のない、相関係数発生器およびそれを用いた探知装置を提供することを課題とする。 The present invention provides a correlation coefficient generator and a detection device using the same, which do not require complicated calculations as in the background art or need to separately prepare correlation coefficients, in view of the problems of the background art. This is the issue.
本発明は上記従来技術における課題を解決するために、従来のように、相関係数を予め別個に用意したり、ＦＦＴや逆ＦＦＴを用いたりするのではなく、送受信切替器で受信信号出力端へ漏洩し、受信器を経て来た送信信号、或いは、受信器で中間周波数への周波数変換が行われている場合には、中間周波数に周波数変換された送信信号から時間領域で相関係数を求めようとするものである。受信系を経て来た送信信号をデジタル信号に変換して、相関係数ＲＡＭの記憶素子列へ記憶させて行き、その記憶された送信信号を、最後に記憶した記憶素子から、記憶のときとは逆順で読み出したものをパルス圧縮の相関係数として、デジタル化された受信信号が入力されているＦＩＲ（Finite Impulse Response）へ入力し畳み込み演算により受信信号のパルス圧縮を行おうとするものである。
その手段構成は以下の通りである。
In order to solve the above-described problems in the prior art, the present invention does not prepare a correlation coefficient separately in advance or use FFT or inverse FFT as in the prior art. If the transmission signal that has leaked through the receiver and the frequency conversion to the intermediate frequency is performed by the receiver, the correlation coefficient is calculated in the time domain from the transmission signal that has been frequency converted to the intermediate frequency. It is what you want. The transmission signal that has passed through the reception system is converted into a digital signal and stored in the storage element array of the correlation coefficient RAM, and the stored transmission signal is stored from the storage element that is stored last. Is a pulse compression correlation coefficient that is read in reverse order and is input to a FIR (Finite Impulse Response) to which a digitized received signal is input, and the received signal is subjected to pulse compression by a convolution operation. .
The means configuration is as follows.
本発明の第１の構成は、下記（イ）、（ロ）、（ハ）の各手段で構成され、（ハ）の相関係数ＲＡＭから読み出された信号をパルス圧縮超音波探知装置における受波信号に対するパルス圧縮の相関係数として出力するパルス圧縮相関係数生成回路である。
（イ） 超音波探知装置の送信系統から送信パルス情報を受けて、送信パルスの立ち上り時点であることを示す送信パルス立ち上り信号と、送信パルス終了時点であることを示す送信パルス終了信号を出力する送信情報抽出器
（ロ） 前記（イ）の送信情報抽出器から上記送信パルス立ち上り信号を受けたときは、その時点から、後記（ハ）の相関係数ＲＡＭへ入力されたデジタル信号をその記憶素子列へ順次記憶させて行く順次書き込みアドレス指定信号を後記（ハ）の相関係数ＲＡＭへ送出し、前記（イ）の送信情報抽出器から前記送信パルス終了信号を受けたときは、前記順次書き込みアドレス指定信号を終了し、前記相関係数ＲＡＭの記憶素子から読み出すときは、記憶した素子列を、最後に記憶させた記憶素子から、前記記憶動作のときとは逆向きのアドレス順序で読み出して行くようにアドレス指定を行う逆順読出しアドレス指定信号を後記（ハ）の相関係数ＲＡＭへ送出する記憶素子アドレス指定器
（ハ） 入力された超音波探知装置の受信器出力デジタル信号を、（ロ）の記憶素子アドレス指定器からの順次書き込みアドレス指定信号により記憶素子列へ順次記憶させてゆき、逆順読出しアドレス指定信号を受けたときは、最後に記憶した記憶素子の方から逆向きアドレス順序で読み出し、これをパルス圧縮相関係数として出力する相関係数ＲＡＭ
The first configuration of the present invention is configured by the following means (a), (b), and (c), and a signal read from the correlation coefficient RAM of (c) is used in a pulse compression ultrasonic detector. It is a pulse compression correlation coefficient generation circuit that outputs a correlation coefficient of pulse compression for a received signal.
(A) Receives transmission pulse information from the transmission system of the ultrasonic detector and outputs a transmission pulse rising signal indicating that the transmission pulse is rising and a transmission pulse end signal indicating that the transmission pulse is ending. Transmission information extractor (b) When the transmission pulse rising signal is received from the transmission information extractor (a), the digital signal input to the correlation coefficient RAM (c) described later is stored from that point. When a sequential write address designation signal that is sequentially stored in the element array is sent to the correlation coefficient RAM described in (c) below and the transmission pulse end signal is received from the transmission information extractor in (a) above, When the write addressing signal is terminated and the correlation coefficient RAM is read out from the storage element, the stored element string is read from the last stored storage element. A storage element addressing device (c) for sending a reverse read addressing signal for addressing to read out in the reverse address order to the correlation coefficient RAM described in (c) Input ultrasonic detection The digital signal output from the receiver of the device is sequentially stored in the storage element array by the sequential write address specification signal from the storage element addressing device in (b), and when the reverse read address specification signal is received, it is stored last. Correlation coefficient RAM that reads out from the storage element in the reverse address order and outputs it as a pulse compression correlation coefficient
本発明の第２の構成は、下記の各手段を具備することを特徴とするパルス圧縮超音波探知装置である。
（イ） 前記第１の構成のパルス圧縮相関係数生成回路
（ロ） 送信端へ入力された送信信号が送受波器端へ伝送される他、一部が受信器が接続される受信端へ漏出する送受信切替器
（ハ） 前記（ロ）の送受信切替器の送受波器端に接続された送受波器
（ニ） 前記（ロ）の送受信切替器の送信端へ接続され、周波数変調された送信パルス電力を出力するとともに、前記（イ）のパルス圧縮相関係数生成回路へ送信パルス情報を出力する送信部
（ホ） 前記（ロ）の送受信切替器の受信端に接続され、受波信号を増幅する増幅器と、増幅された信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器とを具備し、該デジタル信号を、前記（イ）のパルス圧縮相関係数生成回路の相関係数ＲＡＭと、後記（ヘ）のＦＩＲパルス圧縮器へ送出する受信部
（ヘ） 前記（ホ）の受信部からの受信デジタル信号と、前記（イ）のパルス圧縮相関係数生成回路からのパルス圧縮相関係数信号を受け、相関係数信号により受信デジタル信号に対しパルス圧縮を行うＦＩＲパルス圧縮器
According to a second aspect of the present invention, there is provided a pulse compression ultrasonic detection apparatus comprising the following means.
(A) Pulse compression correlation coefficient generation circuit of the first configuration (b) The transmission signal input to the transmission end is transmitted to the transmitter / receiver end, and partly to the reception end to which the receiver is connected Leakage of transmission / reception switch (c) Transmitter / receiver connected to the transmitter / receiver end of the transmission / reception switcher of (b) (d) Connected to the transmission end of the transmission / reception switcher of (b) and frequency modulated A transmission unit that outputs transmission pulse power and outputs transmission pulse information to the pulse compression correlation coefficient generation circuit of (a) (e) connected to the reception end of the transmission / reception switcher of (b), and receives a received signal And an A / D converter that converts the amplified signal into a digital signal, and the digital signal is correlated with the correlation coefficient RAM of the pulse compression correlation coefficient generation circuit of (a), Receiver (f) to send to FIR pulse compressor described later (f) The received digital signal from the receiver in (e) and the pulse compression correlation coefficient signal from the pulse compression correlation coefficient generation circuit in (a) are received, and the received digital signal is subjected to pulse compression by the correlation coefficient signal. FIR pulse compressor
本発明の第３の構成は、送信部の送信パルスの周波数変調を時間の経過に対して直線的変化としたことを特徴とする前記第２の構成のパルス圧縮超音波探知装置である。 A third configuration of the present invention is the pulse compression ultrasonic detection device according to the second configuration, wherein the frequency modulation of the transmission pulse of the transmission unit is linearly changed with time.
本発明の第４の構成は、送信部の送信パルスの周波数変調を時間の経過に対して非直線的としたことを特徴とする前記第２の構成のパルス圧縮超音波探知装置である。 A fourth configuration of the present invention is the pulse compression ultrasonic detection device according to the second configuration, characterized in that the frequency modulation of the transmission pulse of the transmission unit is non-linear with respect to time.
本発明の第５の構成は、送信部の送信パルスの周波数変調を時間の経過に対して直線的変化である場合と非直線的変化である場合とを切替え可能にしたことを特徴とする前記第２の構成のパルス圧縮超音波探知装置である。 The fifth configuration of the present invention is characterized in that the frequency modulation of the transmission pulse of the transmission unit can be switched between a linear change and a non-linear change over time. It is a pulse compression ultrasonic detector of the 2nd composition.
本発明の第６の構成は、送信部の周波数変調の変調周波数範囲を複数切替え可能としたことを特徴とする前記第２乃至第５の構成のいずれか１つのパルス圧縮超音波探知装置である。 A sixth configuration of the present invention is the pulse compression ultrasonic detection device according to any one of the second to fifth configurations, wherein a plurality of modulation frequency ranges of frequency modulation of the transmission unit can be switched. .
本発明の第７の構成は、受信部の増幅器とＡ／Ｄ変換器の間に、増幅器出力の信号周波数からそれより低い中間周波数に変換する周波数変換回路を設けたことを特徴とする前記第２乃至第６の構成のいずれか１つの構成のパルス圧縮超音波探知装置である。 According to a seventh aspect of the present invention, the frequency converter circuit for converting the signal frequency of the amplifier output to a lower intermediate frequency is provided between the amplifier of the receiver and the A / D converter. This is a pulse compression ultrasonic detection apparatus having any one of the second to sixth configurations.
本発明の第８の構成は、受信部のＡ／Ｄ変換器の後に、Ａ／Ｄ変換器出力信号の周波数からそれより低い中間周波数に変換するデジタル周波数変換回路を設けたことを特徴とする前記第２乃至第６の構成のいずれか１つの構成のパルス圧縮超音波探知装置である。 The eighth configuration of the present invention is characterized in that a digital frequency conversion circuit for converting from the frequency of the A / D converter output signal to a lower intermediate frequency is provided after the A / D converter of the receiver. It is a pulse compression ultrasonic detection device having any one of the second to sixth configurations.
本発明の第９の構成は、送信部が出力する送信パルス電力のパルス幅が切替え可変であることを特徴とする前記第２の構成乃至第８の構成のいずれか１つの構成のパルス圧縮超音波探知装置である。 According to a ninth configuration of the present invention, the pulse width of the transmission pulse power output from the transmission unit is switchable, and the pulse compression superstructure of any one of the second configuration to the eighth configuration is characterized. It is a sound wave detection device.
本発明の第１の構成は、パルス圧縮相関係数生成回路に関するものであり、本回路で生成された相関係数は超音波探知装置のＦＩＲへ送られ、ここで、受信信号とで畳み込み演算が行われそれによりパルス圧縮が行われるものである。
畳み込み演算は下記の数式１で表わされる。
The first configuration of the present invention relates to a pulse compression correlation coefficient generation circuit, and the correlation coefficient generated by this circuit is sent to the FIR of the ultrasonic detection device, where convolution operation is performed with the received signal. And pulse compression is thereby performed.
The convolution operation is expressed by
即ち、送信パルス幅をＮ等分したｋ番目の値ａ（ｋ）と受信信号パルス幅をＮ等分したｎ−ｋ番目の値ｘ（n−ｋ）との積をｋの０からＮ−１に渡って加算をするとパルス圧縮が行われるという式である。 That is, the product of the k-th value a (k) obtained by dividing the transmission pulse width by N and the nk-th value x (nk) obtained by dividing the received signal pulse width by N is calculated from 0 to N−. If the addition is performed over 1, pulse compression is performed.
本願発明では送受信切替器および受信器を経由した漏洩送信パルス信号を時間的にＮ分割して、相関係数ＲＡＭのＮ個の記憶素子列へ順次記憶させ、これを逆順に読み出すことにより、ｋ＝０〜Ｎ−１について相関係数ａ（ｋ）を生成しＦＩＲに設定して、相関係数ａ（ｋ）と受信信号ｘ（ｎ）を数式１の演算を行わせることによりパルス圧縮が行われるという効果が得られるものである。
In the present invention, the leaked transmission pulse signal that has passed through the transmission / reception switcher and the receiver is temporally divided into N, sequentially stored in the N storage element rows of the correlation coefficient RAM, and read out in the reverse order. A correlation coefficient a (k) is generated for = 0 to N−1 and set to FIR, and the correlation coefficient a (k) and the received signal x (n) are subjected to the calculation of
このように、本発明第１の構成のパルス圧縮相関係数生成回路は送信パルス信号自体からパルス圧縮相関係数を生成するものであるので、送信パルスの周波数変調において、リニアチャープとノンリニアチャープの切替えやアップチャープ、ダウンチャープの切替えを行おうが、周波数変調の周波数範囲の広狭を切替えようが、送信パルス時間幅を広狭切替えようが、総て現に用いる送信パルスから相関係数を生成するので、従来のように、送信パルスの態様毎に相関係数を別々に用意しておかなければならないという必要は全くなくなるという極めて優れた効果を有する。 As described above, since the pulse compression correlation coefficient generation circuit of the first configuration of the present invention generates a pulse compression correlation coefficient from the transmission pulse signal itself, in the frequency modulation of the transmission pulse, linear chirp and non-linear chirp are used. Whether to switch, up-chirp, or down-chirp, whether to switch the width of the frequency range of frequency modulation, or to switch the width of the transmission pulse time, the correlation coefficient is generated from the currently used transmission pulse. As in the prior art, the present invention has an extremely excellent effect that there is no need to prepare a correlation coefficient separately for each transmission pulse mode.
また、受信系で信号周波数が中間周波数に変換されている場合には、受信系で中間周波数に変換された送信パルスから相関係数を求めればよいので、やはり別々に用意する必要は全くない。また、中間周波数に変換していなくとも、受信系には周波特性や位相特性があり、パルス圧縮の対象である受波信号はその影響を受ける。この場合、パルス圧縮の相関係数の元となる送信パルスも、同一の受信系を経由したものを用いることにより、受信機特性の影響を相殺できるという利点がある。 Further, when the signal frequency is converted to the intermediate frequency in the reception system, the correlation coefficient may be obtained from the transmission pulse converted to the intermediate frequency in the reception system, so that it is not necessary to prepare separately. Even if the signal is not converted to an intermediate frequency, the receiving system has frequency characteristics and phase characteristics, and the received signal that is the target of pulse compression is affected by the characteristics. In this case, there is an advantage that the influence of the receiver characteristic can be offset by using the transmission pulse that is the source of the correlation coefficient of pulse compression via the same reception system.
本発明の第２の構成は、本発明第１の構成のパルス圧縮相関係数生成回路を採用したパルス圧縮超音波探知装置であるから、第１の構成で述べた発明の効果が総て得られることになる。 Since the second configuration of the present invention is a pulse compression ultrasonic detection apparatus employing the pulse compression correlation coefficient generation circuit of the first configuration of the present invention, all the effects described in the first configuration can be obtained. Will be.
本発明の実施の形態としては、本発明の課題解決手段の第１の構成であるパルス圧縮相関係数生成回路を１つのまとまった構成（例えばユニット）とし、これをパルス圧縮を行う超音波探知装置やレーダ装置に組み込むと言う形態と、特にまとめないで、パルス圧縮相関係数発生回路を構成する各構成部分を、超音波探知装置やレーダ装置内における信号の授受や実装空間の状況に応じて分散配置するという形態で実施することも可能である。
いずれにしても、パルス圧縮相関係数生成回路は、パルス圧縮を行おうとする超音波探知装置やレーダ装置との共働によってパルス圧縮が達成されるものである。
As an embodiment of the present invention, the pulse compression correlation coefficient generation circuit, which is the first configuration of the means for solving the problems of the present invention, has a single configuration (for example, a unit), and this is an ultrasonic detection that performs pulse compression. The components that make up the pulse compression correlation coefficient generation circuit, depending on the status of the ultrasonic detector and the radar device and the mounting space, are not summarized in the form of being incorporated into the device or radar device. It is also possible to carry out in a distributed manner.
In any case, the pulse compression correlation coefficient generation circuit achieves pulse compression by cooperating with an ultrasonic detection device or a radar device that intends to perform pulse compression.
パルス圧縮は、圧縮のため相関係数を受波或いは受信信号に対して畳み込み演算による相関演算をして行われる。従って、パルス圧縮を行うためには相関係数の準備と相関演算手段の準備が必要である。時間軸で行われるパルス圧縮においては、状来は、相関係数の準備は、超音波探知装置やレーダ装置の送信パルスに対応させて予め計算してメモリに用意しておくというものであった。相関演算手段（パルス圧縮器）はＦＩＲ（Finite Impulse Respons）が用いられている。 The pulse compression is performed by performing a correlation operation using a convolution operation on a received signal or a received signal with a correlation coefficient for compression. Therefore, in order to perform pulse compression, it is necessary to prepare a correlation coefficient and a correlation calculation means. In the pulse compression performed on the time axis, the correlation coefficient has been prepared in advance in the memory by calculating in advance corresponding to the transmission pulse of the ultrasonic detection device or the radar device. . The correlation calculation means (pulse compressor) uses FIR (Finite Impulse Respons).
これに対して、本願発明では、相関係数は送信パルス自体から生成するようにしたものである。繰り返し周期毎であってもよいし、飛び越しであってもよい。
その相関係数生成方法は、送信パルス信号が送受信切替器で受信器の接続端へ漏洩してくる送信信号に着眼し、受信器を経て来た受信器出力における送信パルス信号を時間軸でＮ等分した信号を相関係数ＲＡＭの記憶素子へ順次記憶させ、これを、最後に記憶させたＮ番目の記憶素子から、記憶させたときの順序とは逆順序で読み出したものを、前記数式１の相関係数ａ（ｋ）として、パルス圧縮器としてのＦＩＲへ送り、そこで受信増幅器からの受信出力デジタル信号ｘ（ｎ−ｋ）と相関演算（畳み込み演算）を行わせたパルス圧縮を行わせるというものである。
On the other hand, in the present invention, the correlation coefficient is generated from the transmission pulse itself. It may be every repeated cycle or may be skipped.
In the correlation coefficient generation method, the transmission pulse signal focuses on the transmission signal leaked to the connection end of the receiver by the transmission / reception switch, and the transmission pulse signal at the receiver output that has passed through the receiver is represented by N on the time axis. Equally divided signals are sequentially stored in the storage element of the correlation coefficient RAM, and this is read from the Nth storage element stored last in the reverse order to the stored order. 1 is sent to the FIR as a pulse compressor as a correlation coefficient a (k), where pulse compression is performed by performing a correlation operation (convolution operation) with the received output digital signal x (nk) from the reception amplifier. It is to make it.
以下、図を参照しつつ本発明の実施例を説明する。
図１は、本願発明の相関係数発生器を用いた超音波探知装置の実施例の構成ブロック図である。
送信器３は超音波周波数のパルス電気信号を定められた周期で発生し、これを必要とされる電力まで増幅した後、送受信切替器２へ送出する。
送受信切替器２の基本動作は、送信器３から入力された超音波電力は送受波器１の方へ送り、送受波器１から超音波パルスとして水中へ放射される。
水中を伝搬した超音波は、水中の魚体その他の物体や水底で反射されて一部が送受波器へ戻ってくる。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram showing the configuration of an embodiment of an ultrasonic detector using the correlation coefficient generator of the present invention.
The
The basic operation of the transmission /
The ultrasonic waves that have propagated in the water are reflected by the fish and other objects in the water and the bottom of the water, and a part of them returns to the transducer.
送受波器１はこれを超音波周波の電気信号に変換して送受信切替器２へ送る。送受信切替器２は、送受波器１からの受波信号を受信器５の方へ送出する。これが送受信切替器２の基本動作であるが、本願発明では、送受信切替器の基本動作の他に、送信器３から入力された送信電力の一部が、受信器５への出力端へ廻わり、受信器へ入力され、水中からの反射波同様に増幅され出力される。現われる時間位置は、送信器の送信時点と同じである。つまり、水中を伝搬する時間がかかっていないから、受信周期の最先端位置である。
本願発明は、こうして、受信器の出力に現われた送信パルスからパルス圧縮の相関係数を得るという点に特徴がある。
The
The present invention is thus characterized in that the correlation coefficient of pulse compression is obtained from the transmission pulse appearing at the output of the receiver.
受信器５で増幅された送信パルスおよび受信信号（受波信号とも言う）は、Ａ／Ｄ変換器６でデジタル信号に変換され、相関係数発生器４とパルス圧縮器７へ送出される。
相関係数発生器４は送信器３からの送信パルス情報によって、Ａ／Ｄ変換器６から送られて来た信号のうち送信パルス部分のみを用いて相関係数を生成する。
The transmission pulse and the received signal (also referred to as a received signal) amplified by the
The
相関係数はパルス圧縮器７へ送られ、ここで、Ａ／Ｄ変換器６から送られて来た受信デジタル信号に対しパルス圧縮を行う。パルス圧縮された受信信号は整流器８でヒルベルト変換器を用いて複素信号に変換され、これを絶対値整流として表示器９へ送られ画像表示を行う。
送信器３が送出する送信パルスは、周波数変調を受けた超音波周波パルスである。
The correlation coefficient is sent to the
The transmission pulse transmitted by the
図２は送信パルスの説明図であり、（ａ）は送信時間信号である。横軸が時間の経過を示す図である。（ｂ）は、パルス幅内に於ける周波数の変化を示す図であり、横軸は（ａ）と同じく時間の経過を示し、縦軸が周波数を示す。（ｂ）では、パルス幅内において周波数ｆ１から周波数ｆ２まで時間の経過に対して直線的に増加している例である。即ち、リニアチャープでありアップチャープの場合を示している。 FIG. 2 is an explanatory diagram of a transmission pulse, and (a) is a transmission time signal. The horizontal axis is a diagram showing the passage of time. (B) is a figure which shows the change of the frequency within a pulse width, a horizontal axis shows progress of time similarly to (a), and a vertical axis | shaft shows a frequency. (B), the examples that increase linearly with elapsed time from the frequency f 1 to frequency f 2 in the pulse width. That is, it shows a case of linear chirp and up-chirp.
（ｃ）は（ｂ）のリニアアップチャープの場合を正弦波形で示したものである。
周波数変調は、上記に限らずアップ、ダウンとリニア、ノンリニアの組合せを考えることができる。
今、送信パルスが図２の（ｃ）の波形の繰り返しである場合には、図１の受信器５の出力には、受信時間区間の先端にこの波形が現われる。続いて反射波の受信信号が続くことになる。これがＡ／Ｄ変換器６でデジタル化され相関係数発生器４とパルス圧縮器７へ送られる。
(C) shows the case of the linear up chirp in (b) as a sine waveform.
The frequency modulation is not limited to the above, and combinations of up, down, linear, and non-linear can be considered.
If the transmission pulse is a repetition of the waveform of FIG. 2C, this waveform appears at the tip of the reception time interval in the output of the
図３は相関係数発生器４の構成図である。
相関係数発生器４は、送信情報抽出器１０、記憶素子アドレス指定器１１および相関係数ＲＡＭ１２から構成されている。
送信情報抽出器１０は送信器３から送信パルス情報を受けて、これから、送信パルスの立ち上り時点であることを示す送信パルス立ち上り信号と、送信パルス終了時点であることを示す送信パルス終了信号とを記憶素子アドレス指定器１１へ送出する。
FIG. 3 is a configuration diagram of the
The
The
記憶素子アドレス指定器１１は、相関係数ＲＡＭ１２の記憶素子へ記憶させる場合、その記憶させるべき記憶素子のアドレスを指定し、読み出す場合には読み出すべき記憶素子のアドレスを指定する信号を相関係数ＲＡＭ１２へ送出する。相関係数ＲＡＭ１２へは、図１のＡ／Ｄ変換器６から受信器出力デジタル信号が入力されている。
記憶素子アドレス指定器１１は、送信情報抽出器１０から送信パルス立ち上り信号を受けたときは、その時点から、相関係数ＲＡＭ１２へ入力された受信出力デジタル信号をその記憶素子列へ順次記憶させて行く順次書込みアドレス指定信号を相関係数ＲＡＭ１２へ送出する。このアドレス指定に従って、受信器出力デジタル信号が記憶素子列へ順次記憶されて行く。
The storage
When the storage
そして、送信パルス幅時間だけ経過すると送信情報抽出器１０から送信パルス終了信号が記憶素子アドレス指定器１１へ送られ、順次書き込みアドレス指定信号は終了する。結局、相関係数ＲＡＭ１２へは受信器出力デジタル信号が接続されているが、送信パルスに対応する部分だけが、時間軸方向に多分割され各部分の振幅デジタル信号が順次記憶素子列へ記憶されて行く。そして、読み出すときは、記憶素子アドレス指定器１１からの逆順読み出しアドレス指定信号により、記憶した素子列を、最後に記憶した記憶素子の方から、前記記憶動作のときとは逆向きのアドレス順序で読み出す。
そして、この逆向きに読み出されたものを相関係数としてパルス圧縮器７へ送っているのである
When the transmission pulse width time elapses, a transmission pulse end signal is sent from the
The data read in the opposite direction is sent to the
このように、読み出しは最後に記憶させた記憶素子から最初に記憶させた記憶素子へ向って逆方向の順序で読み出しているから、送信波が図２（ｃ）のような信号波形であるとするなら、記憶素子から読み出されたものの波形は、図２（ｃ）の波形を時間軸で後先逆転させたものとなり、その結果、図４の（ｂ）の波形のようになる。これは同図（ａ）に示すようにリニアダウンチャープとなっている。 In this way, since the reading is performed in the reverse order from the memory element stored last to the memory element stored first, the transmission wave has a signal waveform as shown in FIG. In this case, the waveform read from the storage element is obtained by reversing the waveform of FIG. 2C with respect to the time axis, resulting in the waveform of FIG. 4B. This is a linear down chirp as shown in FIG.
こうして、読み出された信号は、図１に示すようにパルス圧縮器７へ相関係数として送られる。パルス圧縮器７へはＡ／Ｄ変換器６からパルス圧縮されるべき受信器出力デジタル信号が入力されている。
このパルス圧縮器としてはＦＩＲ（Finite Impulse Response）が用いられ、これにより受信デジタル信号と相関係数との畳み込み演算が行われる。
Thus, the read signal is sent to the
As this pulse compressor, an FIR (Finite Impulse Response) is used, whereby a convolution operation between the received digital signal and the correlation coefficient is performed.
図５はＦＩＲの構成を示す図である。
Ｚ−１はシフトレジスタ、円内にクロスは乗算器、円内にプラスは加算器を表わしている。ｘ（ｎ）は入力デジタル信号であり、ａ（０）、ａ（１）、…、ａ（Ｎ−１）は相関係数ＲＡＭから読み出された相関係数である。図５のＦＩＲにより、前述の数式１の演算が行われることにより受信信号に対するパルス圧縮が行われることになる。
FIG. 5 is a diagram showing the configuration of the FIR.
Z- 1 represents a shift register, a cross in the circle represents a multiplier, and a plus in the circle represents an adder. x (n) is an input digital signal, and a (0), a (1),..., a (N−1) are correlation coefficients read from the correlation coefficient RAM. The pulse compression is performed on the received signal by performing the calculation of the above-described
即ち、図２（ｃ）の送信パルスが図４（ｂ）の相関係数を受けた図５のＦＩＲによって、図６に示されるようにパルス幅が圧縮されることになる。受信信号は、送信パルスが目標物で反射されて戻って来たものであり、その周波数変調の状態は送信信号と全く同じであるから同様にパルス幅が圧縮される。即ち、図２の（ｃ）で２．０ｍｓのパルス幅が図６の７０％振幅のパルス幅で約０．１ｍｓとなっており、約２０分の１のパルス圧縮が行われたことを示している。 That is, the pulse width is compressed as shown in FIG. 6 by the FIR in FIG. 5 in which the transmission pulse in FIG. 2C has received the correlation coefficient in FIG. 4B. In the received signal, the transmission pulse is reflected by the target and returned, and the frequency modulation state is exactly the same as the transmission signal , so the pulse width is similarly compressed. That is, the pulse width of 2.0 ms in FIG. 2C is about 0.1 ms with the pulse width of 70% amplitude in FIG. 6, indicating that about 1 / 20th of pulse compression has been performed. ing.
図７は受信系において、送受波器から受けた受波信号の周波数よりも低い中間周波数に周波数変換して処理をする例である。図７の（ａ）は、受信信号をデジタル変換する前のアナログ信号の状態で周波数変換するものであり、中間周波変換器１３はＡ／Ｄ変換器６の前側に置かれている。従って、中間周波変換器１３はアナログの周波数変換器である。
FIG. 7 shows an example of processing in the receiving system by converting the frequency to an intermediate frequency lower than the frequency of the received signal received from the transducer. (A) of FIG. 7 performs frequency conversion in the state of an analog signal before digitally converting the received signal, and the
これに対して図７の（ｂ）の中間周波変換器１４は、Ａ／Ｄ変換器６の後に置かれている。従って中間周波変換器はデジタル信号で周波数変換を行っている。いずれにしても相関係数発生器４へは中間周波デジタル信号が送られるが、記憶素子へ記憶されるのは中間周波数となった送信パルス部分である。また、中間周波信号に周波数変換しても、それは送信パルス部分も受波信号部分も同一の局部発振信号により全く同様に周波数変換されるのであるから、両者の周波数が全く同様に変わるだけで両者間のタイミング関係や位相関係その他の相対関係が変化するということは全くないから、パルス圧縮には全く影響を与えない。
On the other hand, the
以上述べて来たように、本願発明は、ＦＩＲの畳み込み演算によるパルス圧縮の相関係数を、送信パルス自体から生成しているから、送信パルスの周波数変調の態様が、リニア、ノンリニア、アップチャープ、ダウンチャープのいずれに変わろうが、また周波数変調の周波数変化範囲が変わろうが、更には送信パルス幅が変わろうが、受信信号を中間周波数に周波数変換しようが、それらに応じた相関係数が自動的に生成されるので、従来のように、これらの場合々々に応じた相関係数をそれぞれ用意しておかなければならないということはなくなり、上記周波数変調の態様や送信パルス幅の切替え、周波数変調の周波数変化範囲を変えることなどが容易に行えるという大きな利点がある。 As described above, in the present invention, since the correlation coefficient of pulse compression by FIR convolution is generated from the transmission pulse itself, the frequency modulation mode of the transmission pulse can be linear, non-linear, up-chirp. Regardless of whether it changes to down-chirp, the frequency change range of frequency modulation changes, or even the transmission pulse width changes, the received signal will be frequency-converted to an intermediate frequency, and the corresponding correlation coefficient Is automatically generated, and it is no longer necessary to prepare a correlation coefficient corresponding to each case as in the prior art, and the frequency modulation mode and transmission pulse width are switched. There is a great advantage that the frequency change range of the frequency modulation can be easily changed.
１ 送受波器
２ 送受信切替器
３ 送信器
４ 相関係数発生器
５ 受信器
６ Ａ／Ｄ変換器
７ パルス圧縮器
８ 整流器
９ 表示器
１０ 送信情報抽出器
１１ 記憶素子アドレス指定器
１２ 相関係数ＲＡＭ
１３ 中間周波変換器
１４ 中間周波変換器
DESCRIPTION OF
13
Claims (9)
（イ） 超音波探知装置の送信系統から送信パルス情報を受けて、送信パルスの立ち上り時点であることを示す送信パルス立ち上り信号と、送信パルス終了時点であることを示す送信パルス終了信号を出力する送信情報抽出器
（ロ） 前記（イ）の送信情報抽出器から上記送信パルス立ち上り信号を受けたときは、その時点から、後記（ハ）の相関係数ＲＡＭへ入力されたデジタル信号をその記憶素子列へ順次記憶させて行く順次書き込みアドレス指定信号を後記（ハ）の相関係数ＲＡＭへ送出し、前記（イ）の送信情報抽出器から前記送信パルス終了信号を受けたときは、前記順次書き込みアドレス指定信号を終了し、前記相関係数ＲＡＭの記憶素子から読み出すときは、記憶した素子列を、最後に記憶させた記憶素子から、前記記憶動作のときとは逆向きのアドレス順序で読み出して行くようにアドレス指定を行う逆順読出しアドレス指定信号を後記（ハ）の相関係数ＲＡＭへ送出する記憶素子アドレス指定器
（ハ） 入力された超音波探知装置の受信器出力デジタル信号を、（ロ）の記憶素子アドレス指定器からの順次書き込みアドレス指定信号により記憶素子列へ順次記憶させてゆき、逆順読出しアドレス指定信号を受けたときは、最後に記憶した記憶素子の方から逆向きアドレス順序で読み出し、これをパルス圧縮相関係数として出力する相関係数ＲＡＭ The following (a), (b), and (c) are configured by the following means, and the signal read from the correlation coefficient RAM of (c) is used for the pulse compression phase relationship with the received signal in the pulse compression ultrasonic detector. Pulse compression correlation coefficient generation circuit that outputs as a number.
(A) Receives transmission pulse information from the transmission system of the ultrasonic detector and outputs a transmission pulse rising signal indicating that the transmission pulse is rising and a transmission pulse end signal indicating that the transmission pulse is ending. Transmission information extractor (b) When the transmission pulse rising signal is received from the transmission information extractor (a), the digital signal input to the correlation coefficient RAM (c) described later is stored from that point. When a sequential write address designation signal that is sequentially stored in the element array is sent to the correlation coefficient RAM described in (c) below and the transmission pulse end signal is received from the transmission information extractor in (a) above, When the write addressing signal is terminated and the correlation coefficient RAM is read out from the storage element, the stored element string is read from the last stored storage element. A storage element addressing device (c) for sending a reverse read addressing signal for addressing to read out in the reverse address order to the correlation coefficient RAM described in (c) Input ultrasonic detection The digital signal output from the receiver of the device is sequentially stored in the storage element array by the sequential write address specification signal from the storage element addressing device in (b), and when the reverse read address specification signal is received, it is stored last. Correlation coefficient RAM that reads out from the storage element in the reverse address order and outputs it as a pulse compression correlation coefficient
（イ） 請求項１のパルス圧縮相関係数生成回路
（ロ） 送信端へ入力された送信信号が送受波器端へ伝送される他、一部が受信器が接続される受信端へ漏出する送受信切替器
（ハ） 前記（ロ）の送受信切替器の送受波器端に接続された送受波器
（ニ） 前記（ロ）の送受信切替器の送信端へ接続され、周波数変調された送信パルス電力を出力するとともに、前記（イ）のパルス圧縮相関係数生成回路へ送信パルス情報を出力する送信部
（ホ） 前記（ロ）の送受信切替器の受信端に接続され、受波信号を増幅する増幅器と、増幅された信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器とを具備し、該デジタル信号を、前記（イ）のパルス圧縮相関係数生成回路の相関係数ＲＡＭと、後記（ヘ）のＦＩＲパルス圧縮器へ送出する受信部
（ヘ） 前記（ホ）の受信部からの受信デジタル信号と、前記（イ）のパルス圧縮相関係数生成回路からのパルス圧縮相関係数信号を受け、相関係数信号により受信デジタル信号に対しパルス圧縮を行うＦＩＲパルス圧縮器
A pulse compression ultrasonic detector comprising the following means.
(B) The pulse compression correlation coefficient generation circuit according to claim 1 (b) In addition to transmitting the transmission signal input to the transmission end to the transducer end, a part leaks to the reception end to which the receiver is connected. Transmission / reception switch (c) Transmitter / receiver connected to the transmitter / receiver end of the transmission / reception switcher of (b) (d) Transmission pulse that is connected to the transmission end of the transmission / reception switcher of (b) and is frequency-modulated Transmitter that outputs power and outputs transmission pulse information to the pulse compression correlation coefficient generation circuit of (a) (e) Connected to the receiving end of the transmission / reception switcher of (b) and amplifies the received signal And an A / D converter that converts the amplified signal into a digital signal. The digital signal is converted into a correlation coefficient RAM of the pulse compression correlation coefficient generation circuit of (a), (F) Receiving part (f) sent to FIR pulse compressor FIR pulse compression that receives the received digital signal from the receiver and the pulse compression correlation coefficient signal from the pulse compression correlation coefficient generation circuit of (a) and performs pulse compression on the received digital signal by the correlation coefficient signal vessel
9. The pulse compression ultrasonic detection apparatus according to claim 2, wherein a pulse width of transmission pulse power output from the transmission unit is variable.
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